KI ist hungrig. Es frisst Rechenleistung zum Frühstück, Mittag- und Abendessen, und normale flache Chips können es nicht mehr ernähren.
Die körperlichen Grenzen stoßen hart. Transistoren schrumpfen nicht mehr so wie früher. Nicht wirklich. Nicht mehr. Also tat ein Team der University of Illinois, was im Nachhinein offensichtlich schien: Sie stapelten sie.
Die neue Studie wurde am 27. Mai in Nature veröffentlicht und beschreibt einen dreidimensionalen Siliziumchip. Kein Sandwich aus zusammengeklebten einzelnen Chips, sondern ein einzelner Block aus ultradünnen Membranen.
Up ist das neue Out
Seit den 1960er Jahren spielen wir ein Schrumpfungsspiel. Kleinere Transistoren bedeuteten, dass mehr auf die gleiche Fläche passen. Das war Moores Gesetz. Verdoppeln Sie die Transistoren alle zwei Jahre. Drücken Sie weiter. Schrumpfen Sie weiter.
Es geht zu Ende.
Qing Cao, Hauptautor der Studie, sagt, wir seien selbst auf eine Wand aus Silizium gestoßen. Die intrinsischen Materialeigenschaften. Quantenmechanik. Der kontaktierte Torabstand wird nicht kleiner.
Wenn Sie mehr Leistung wünschen, haben Sie zwei Möglichkeiten: Drücken Sie die Geräte weiter auf eine flache Ebene, bis sie kaputt gehen oder sich nach oben aufbauen. Cao wählte.
Betrachten Sie es wie Stadtplanung. In einer 2D-Stadt benötigt jede Information einen eigenen Footprint mit sechs Transistoren. Es breitet sich aus. In einer 3D-Stadt baut man Türme. Gleiche Funktion. Gleicher Bitspeicher. Viel weniger Stellfläche. Und vor allem müssen Daten nicht über kilometerlange Siliziumstraßen transportiert werden. Es geht um ein paar Nanometer nach oben. Schneller. Kühler. Schonender für die Batterie.
Das Hitzeproblem
Stapeln ist nicht gerade eine neue Neuigkeit.
Die Industrie hat es schon einmal versucht. Vertikale Integration klingt auf dem Papier großartig, bis man sich die Hitze anschaut.
Die herkömmliche Siliziumherstellung benötigt 1.000 °C (1.832 °F), um gute Chips herzustellen. Sie kochen die erste Schicht perfekt. Dann fügen Sie Metalldrähte hinzu, um die nächste Schicht zu verbinden. Du schaltest den Ofen wieder ein. Puh. Das Metall schmilzt.
Es gibt eine feste Obergrenze, die als „Wärmehaushalt“ bekannt ist. Nach dieser ersten Schicht können Sie nur noch etwa 400 °C (752 °F) aushalten. Wenn man höher geht, verschlechtert sich alles.
Bisherige Lösungen hatten Kompromisse bei der Qualität. Die Hersteller tauschten echtes Silizium gegen Alternativen in den oberen Schichten ein – amorphe Metalloxide. Kohlenstoffnanoröhren. Polykristallines Zeug. Es hielt die Hitze niedrig, opferte jedoch Leistung und Zuverlässigkeit. Wer möchte einen langsamen Chip, der leicht kaputt geht?
Unsere Methode ist nicht nur einfacher zu implementieren, sondern auch kostengünstiger, bemerkte Cao. Es vermeidet die bisherigen Fallstricke vollständig.
Papierdünne Lösungen
Das Team in Illinois nutzte einen Trick namens monolithische Integration. Anstatt die Chips einzeln herzustellen und zu verkleben – was zu Schwachstellen führt – bauen sie alles auf einem Substrat auf.
Sie begannen mit ultradünnen Silizium-Nanomemberanen. Wie dünn? Weniger als 10 Nanometer. Ungefähr die Breite eines einzelnen Proteinmoleküls. Vergleichen Sie das mit einem Standardwafer, der einen halben Millimeter dick ist. Diese Membranen sind flexibel. Sie passen sich an. Unter Druck brechen sie nicht.
Mit einem Rollenlaminator nahmen sie diese Häute auf und legten sie auf die Basisschicht.
Hier ist der Clou. Die Verbindung hielt bereits bei 200 °C (392 °F) stark. Fünfmal kühler als das Standardrezept. Die vorhandenen Metalldrähte blieben erhalten. Die Siliziumqualität blieb hoch.
Sie stellten einen Chip mit drei Schichten her. Jeder enthielt 625 Transistoren
Diese Zahl sieht klein aus. Derzeit gibt es Milliarden an kommerziellen Chips. Aber es handelt sich noch nicht um ein kommerzielles Produkt. Es ist ein Proof of Concept. Ein Prototyp, der den Stromfluss anzeigt, ist drei- bis viermal besser als Kompromissalternativen mit Nicht-Silizium-Materialien.
Es funktioniert.
Jetzt muss die Branche herausfinden, wie sie es skalieren kann. So stapeln Sie zehn statt drei Schichten. Wie man diese Membranen herstellt, ohne einen Arm und ein Bein zu kosten. Das Laborergebnis ist sauber. Der Markt ist chaotisch. Werden sich die Fabriken genug darum kümmern, ihre Produktionslinien wieder aufzubauen?
Das ist die nächste Frage.
